Корпус для высокого давления из композиционных материалов
Владельцы патента RU 2319061:
Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (RU)
Изобретение относится к армированным разнополюсным оболочкам из композиционных материалов для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных конструкций для обеспечения надежного функционирования в условиях воздействия высокого внутреннего давления и других внутренних факторов рабочей среды. В корпусе для высокого давления днища оболочки имеют удлиненную неравновесную форму, выполнены укладкой ленты по линиям постоянного отклонения, причем углы геодезического отклонения фактического закона укладки ленты и расчетного, по которому построен исходный профиль днища, неравны и для диапазона относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,5 лежат в пределах от 0° до 10° и от 10° до 20° соответственно и подбираются так, чтобы полюсная зона днища с фланцем в начале нагружения давлением перемещалась во внутрь, а далее наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном рабочему. Технический результат - многократное уменьшение осевого перемещения полюсной зоны днища с фланцем и концентрации напряжений в материалах этой зоны, что приводит к повышению прочности и надежности корпуса при минимальной массе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к армированным разнополюсным оболочкам из композиционных материалов для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных конструкций для обеспечения надежного функционирования в условиях воздействия высокого внутреннего давления и других внутренних факторов рабочей среды.
К современным армированным оболочечным конструкциям из композиционных материалов, работающих в таких условиях, предъявляются повышенные требования по прочности и надежности при жестких ограничениях по массе и деформативности конструкции. Днища армированной оболочки являются наиболее напряженно-деформируемыми элементами, определяющими ее несущую способность и надежность функционирования.
В мировой практике в таких конструкциях в основном используются армированные оболочки с выпуклыми торцевыми днищами равновесной формы. При нагружении внутренним давлением профиль равновесных днищ перемещается наружу, причем эти перемещения - W, линейно зависят от давления - Р. Максимальные осевые перемещения соответствуют полюсной зоне днища. За счет больших осевых перемещений этой зоны материал оболочки отходит от фланца, что приводит к концентрации напряжений в материале полюсной зоны днища и в итоге к преждевременному разрушению оболочки. По этой же причине в материале внутреннего защитного покрытия, в зоне наибольшего диаметра фланца, возникают деформации, близкие к предельным, что может привести к образованию трещин в покрытии и его разрыву в условиях основной работы.
Эти недостатки равновесных днищ и потребовали технических решений по их устранению.
Известно техническое решение по снижению осевых перемещений равновесных днищ армированных оболочек и их полюсных зон и соответственно концентрации напряжений в материалах этой зоны путем введения сформированных сетчатых армированных элементов в виде «салфеток» (патент США №4053081, кл. 220/3, 1977). Данное решение частично решает задачу и широко используется, однако приводит к нарушению ориентации последующих слоев из спиральных лент, усложняет формообразование оболочки, увеличивает ее массу, трудоемкость изготовления и расход материала.
Известен корпус для высокого давления из композиционного материала, содержащий силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, в котором для повышения несущей способности конструкции силовая оболочка выполнена с расположением спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28° при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части в пределах от 0,18:0,4:1 до 0,2:0,5:1 и общей высоте выпуклости днищ и длине цилиндрической части, равных соответственно по меньшей мере 0,6 ее диаметра (патент РФ №2205325, С1, 2001).
Данное решение, за счет повышения реализации исходной прочности армирующих нитей в спиральных слоях оболочки, позволяет частично уменьшить осевые перемещения полюсных зон днищ и концентрацию напряжений в них, что и приводит к некоторому увеличению ее несущей способности. Однако, это решение распространяется для ограниченного диапазона соотношения геометрических параметров днищ и для выполнения заданных требований по прочности и деформативности требует специального подкрепления полюсных зон днищ дополнительным армирующим материалом.
Известна также армированная оболочка для высокого давления из композиционного материала, в которой для уменьшения осевого перемещения полюсной зоны равновесного днища и концентрации напряжений в материалах этой зоны, полюсная зона образовывается сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент из армирующего материала, суженных в направлении к полюсному отверстию с постоянным радиусом у основания фланца, с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой группы (патент РФ №2190150, С1, 2002). Это решение позволяет повысить плотность армирования полюсной зоны днища самим армирующим материалом спиральных лент и за счет этого частично достичь результата. Однако, для полного выполнения требований по несущей способности оболочки и жестких ограничений по осевым перемещениям днищ это решение также требует подкрепления полюсных зон днищ дополнительным армирующим материалом.
Известна армированная оболочка для высокого давления из композиционных материалов, в которой укороченные днища равновесной формы имеют локальную кольцевую выпуклую гофру неравновесной формы, расположенную ближе к экватору днища (патент РФ №2106568, 1998). Укороченные днища такой формы решают задачу увеличения свободного объема оболочки при заданных габаритных ограничениях, но обладают существенным недостатком, связанным с значительным увеличением осевого перемещения полюсной зоны днищ при нагружении давлением, что приводит уже в начале нагружения к большим концентрациям напряжений в материалах полюсной зоны днища и внутреннего защитного покрытия в этой зоне, а также к возможной потере устойчивости в зоне перехода днища в цилиндрическую часть оболочки. Эти недостатки приводят к преждевременному разрушению оболочки и потому требуют существенного подкрепления днищ «салфетками» и обрезными спиральными слоями, а зону перехода днища в цилиндр деталью большой кольцевой жесткости, что приводит к такому увеличению массы оболочки, которое ведет к обнулению технического эффекта от ее использования.
Таким образом, общим недостатком известных решений по армированным разнополюсным оболочкам из композиционных материалов для высокого давления с равновесными днищами является тот факт, что для выполнения требований по несущей способности оболочки и деформативности днищ, все они требуют серьезного подкрепления днищ дополнительным армирующим материалом, что ведет к увеличению массы конструкции, трудоемкости изготовления и расходу материала. Поэтому, для повышения технического уровня конструкций корпусов для высокого давления из композиционных материалов, требуются новые технические подходы и решения.
Из-за отсутствия аналога наиболее близкого по постановке задачи изобретения и пути ее решения, в качестве прототипа выбран патент РФ №2205325, С1, 2001.
Основной задачей изобретения является создание корпусов для высокого давления из композиционных материалов с разнополюсными днищами, в которых были бы максимально устранены недостатки известных решений и корпуса обладали бы повышенной прочностью и надежностью при минимальной массе оболочки и деформативности днищ.
Техническим результатом от использования изобретения является многократное уменьшение осевого перемещения полюсной зоны днища с фланцем при рабочем давлении относительно исходного состояния, существенное снижение концентрации напряжений в материалах полюсной зоны и внутреннего защитного покрытия в зоне максимального диаметра фланца практически без дополнительного подкрепления полюсной зоны и, как следствие, повышение несущей способности и надежности работы конструкции при минимальной массе.
Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструктивной формы днища таким образом, чтобы на начальном этапе нагружения оболочки внутренним давлением днище перемещалось во внутрь, а затем, при повышении давления, наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном величине рабочего.
Для этого в корпусе для высокого давления из композиционного материала, содержащем армированную силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружных направлениях из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными в полюсных отверстиях днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, днища имеют неравновесную форму, выполнены укладкой лент по линиям постоянного отклонения (ЛПО) от геодезических, причем углы геодезического отклонения фактического закона укладки ленты на поверхность днища и расчетного закона, по которому построен исходный профиль, неравны и для диапазона относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,5 лежат в пределах от 0° до 10° и от 10° до 20° соответственно и подбираются так, чтобы полюсная зона днища с фланцем в начале нагружения оболочки внутренним давлением перемещалась во внутрь, а далее наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном величине рабочего давления. Высота выпуклости неравновесного днища, отнесенная к высоте выпуклости днища геодезического равновесного больше 1,0 и в диапазонах относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,2; 0,2-0,3; 0,3-0,4; 0,4-0,5; должна лежать в пределах до 1,15; 1,02; 1,03; 1,05 соответственно, а углы укладки ленты к образующим днища на экваторе днища больше геодезического, определяемого соотношением
ro/R=sinϕ, где
rо - радиус полюсного отверстия;
R - радиус оболочки,
а между экватором и полюсным отверстием в отличие от геодезических имеют минимум. Угол геодезического отклонения - угол между нормалью к траектории укладки ленты и нормалью к поверхности укладки.
Отличительными особенностями корпуса для высокого давления из композиционного материала по изобретению являются следующие признаки:
- днища неравновесной формы, выполнены по линиям постоянного отклонения, при этом углы геодезического отклонения фактического закона укладки спиральной ленты и расчетного, по которому построен исходный профиль, не равны и, в диапазоне относительного размера радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,5, лежат в пределах от 0° до 10° и от 10° до 20° соответственно;
- высота выпуклости днища, отнесенная к высоте выпуклости днища геодезического равновесного, больше 1,0 и в диапазонах относительного размера радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,2; 0,2-0,3; 0,3-0,4; 0,4-0,5 лежит в пределах до 1,015; 1,02; 1,03; 1,05 соответственно;
- углы укладки спиральной ленты к образующим днища на экваторе днища больше геодезического, определяемого соотношением ro/R=sinϕ, a между экватором и полюсным отверстием в отличие от геодезических имеют минимум.
Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Определение исходного профиля неравновесного днища, его длины и углов армирования по данным в рекомендуемых диапазонах и пределах позволяет создать корпус для высокого давления, в котором полюсная зона днища с фланцем в начале нагружения давлением перемещалась внутрь, а при дальнейшем нагружении наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном величине рабочего.
При построении исходного профиля днища, определении его высоты выпуклости и фактических углов укладки армирующей ленты к образующим на днище с использованием данных за пределами установленных интервалов технический результат изобретения не достигается.
Отличительные существенные признаки корпуса являются новыми, их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию «новизна».
Рекомендуемые пределы углов геодезического отклонения и высоты выпуклости неравновесных днищ для соответствующих диапазонов относительного размера полюсного отверстия и закон изменения угла укладки ленты на днище получены теоретически и экспериментально подтверждены на натурном корпусе.
Совокупность новых существенных признаков с общими известными позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат для корпусов высокого давления из композиционных материалов, содержащих армированную силовую оболочку с разнополюсными днищами на основе новой концепции ее формообразования, что характеризует новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом разработки и творческого вклада без использования при проектировании стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалистов, в совокупности предложенных существенных признаков соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами и графиками с кратким их описанием.
На фиг.1 представлен корпус для высокого давления из композиционных материалов.
На фиг.2 показаны профили удлиненного неравновесного днища по изобретению (линия 1) и традиционного равновесного (линия 2) в состоянии, нагруженном рабочим давлением относительно исходного состояния (линия 3).
Характер деформирования полюсных зон удлиненного неравновесного днища (кривая 1) и традиционного равновесного днища (кривая 2) в процессе нагружения внутренним давлением показан на фиг.3, из которой видно, что полюсная зона удлиненного неравновесного днища по изобретению на начальном этапе нагружения перемещается внутрь, а при дальнейшем нагружении наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном рабочему.
Фактический угол укладки ленты ϕо удлиненного неравновесного днища на экваторе больше геодезического, т.е. ϕ0>arcsinro/R, при этом закон изменения угла на днище в отличие от геодезического равновесного имеет минимум (фиг.4).
Конструктивное описание сущности изобретения состоит в следующем.
Корпус для высокого давления из композиционных материалов (фиг.1) содержит силовую оболочку с цилиндрической частью 1 и удлиненными выпуклыми днищами неравновесной формы 2, 3, образованную комбинацией слоев из соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 4-6, ориентированных в спиральных и кольцевом направлениях, из непрерывных однонаправленных армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами 7, 8, расположенными в полюсных отверстиях 9, 10 днищ 2, 3, облицованную изнутри защитным покрытием 11. Корпус имеет узлы 12, 13 для компоновки его в изделии. Днища силовой оболочки 2, 3 армируются по ЛПО, причем углы геодезического отклонения фактического закона укладки ленты и расчетного, по которому построен исходный профиль днища, неравны и для диапазона относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,5 лежат в пределах от 0° до 10° и от 10° до 20° соответственно. Высота выпуклости днища, отнесенная к высоте выпуклости геодезического равновесного днища, больше 1,0 и для диапазона относительного размера радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,2; 0,2-0,3; 0,3-0,4 и 0,4-0,5 лежит в пределах до 1,015; 1,02; 1,03; 1,05 соответственно. При армировании днища углы укладки спиральной ленты к образующим днища на экваторе днища больше геодезического, определяемого отношением r0/R=sinϕ, а между экватором и полюсным отверстием в отличие от геодезических имеют минимум.
Функционирование разнополюсной силовой оболочки с удлиненными днищами неравновесной формы, выполненными по предложенному техническому решению, заключается в нахождении ее в таком напряженно-деформированном состоянии под давлением, которое многократно уменьшает осевое перемещение полюсной зоны днищ и концентрацию напряжений в материалах этой зоны без дополнительного ее подкрепления, что повышает несущую способность и надежность конструкции при минимальной массе, что и было подтверждено изготовлением и испытаниями натурных корпусов.
Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата и в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в корпусах для высокого давления, оно может быть использовано при производстве емкостей и баллонов давления в других областях техники с аналогичными требованиями и ограничениями.
1. Корпус для высокого давления из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, отличающийся тем, что днища оболочки имеют неравновесную форму, выполнены укладкой армирующей ленты по линиям постоянного отклонения от геодезических, причем углы геодезического отклонения фактического закона укладки ленты и расчетного, по которому построен исходный профиль днища, неравны и для диапазона относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,5 лежат в пределах от 0 до 10° и от 10 до 20° соответственно и подбираются так чтобы полюсная зона днища с фланцем в начале нагружения давлением перемещалась вовнутрь, а далее наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном рабочему.
2. Корпус по п.1, отличающийся тем, что высота выпуклости неравновесного днища отнесенная к высоте выпуклости днища геодезического равновесного, больше 1,0 и в диапазонах относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1-0,2; 0,2-0,3; 0,3-0,4; 0,4-0,5 должна лежать в пределах до 1,015; 1,02; 1,03; 1,05 соответственно.
3. Корпус по п.1, отличающийся тем, что углы укладки армирующей ленты к образующим днища на экваторе днища больше геодезического, а между экватором и полюсным отверстием в отличии от геодезических имеют минимум.
